Synthesis of carbon nanotubes on indium-tin oxide for organic solar cells

Carbon nanotubes (CNTs), tiny tubes made of carbon atoms are expected to become the ideal constituent of many technologies, in particular for future generation electronics. CNTs present, amongst the others, several unique properties which make them ideal as building blocks for a new generation of electronic devices: radius in the nanometer range, length reaching millimeters, ballistic electron transport, super-high current-carrying capacity, very high mechanical strength. These superior characteristics make carbon nanotubes the most promising building block for electronic devices of the future. In this project CNTs are grown on Indium-Tin Oxide (ITO) substrates in order to be used as transparent electrode for organic solar cells, also named Organic Photovoltaics (OPV). OPV based on a bulk heterojunction made of a conductive polymer mixed to a carbon nanostructure offer potential advantages compared to conventional inorganic cells, like low costs, lightweight and flexibility. Recently CNTs have been proposed to increase the efficiency of the cells, by quickly collecting the electrons generated by the light. The aim of this work is to create a nanotube carpet on ITO substrate to provide a transparent electrode for the solar cells. At present, the most promising method in order to synthesize CNTs is Chemical Vapor Deposition (CVD), which provides large density and high purity CNT carpets on different substrates. This method provides a high degree of control over the morphology and structure of the CNTs by a careful choice of catalyst particle size and growth conditions. Even though CVD is a valid method for extensive CNTs growths, a major problems still affects its performance. The problem is the effect of some parameters that remains unpredictable preventing the exact control on the position and structure of the single nanotube. To effectively control the CNTs growth a complete knowledge of the growth mechanism is required. To find the optimum synthesis technique in order to grow CNTs on ITO substrates, our experimental procedure have been repeated by changing the following parameters: Ni vs Fe as catalysts; thickness of the catalyst layer (5 to 20 nm); gas mixtures (Acetylene and Acetylene plus Hydrogen); flow rates (15 – 150 sccm); growth temperature (500 - 600 ° C); growth time (10 to 30 minutes). After several attempts we have been able to select the best conditions for the growth of short nanotubes with the desired density on ITO substrates, as shown by Scanning Electron Microscope (SEM) images. Optical transmission measurements and electrical characterisation of a solar cell realised with this CNTs-ITO substrate confirm that the presence of CNTs can improve the efficiency of the organic solar cell.

I nanotubi in carbonio (CNTs), minuscoli tubi composti da atomi di carbonio, potrebbero essere l’elemento ideale per molte tecnologie, in particolare per future applicazioni elettroniche. I CNTs in carbonio presentano, tra molte, caratteristiche uniche che li rendono il blocco principale per una nuova generazione di dispositivi elettronici: un raggio nell’ordine dei nanometri, altezze nell’ordine dei millimetri, un trasporto balistico dell’elettrone, grande capacità di trasporto della corrente elettrica, elevata forza meccanica. Queste caratteristiche superiori rendono i CNTs in carbonio una promessa come blocco costitutivo nelle generazioni future di per i dispositivi elettronici. In questo progetto i CNTs in carbonio sono cresciuti su un substrato composto da ossido di indio e stagno (ITO) in modo da esser utilizzati come elettrodo trasparente per le celle solari organiche, dette anche celle fotovoltaiche organiche. Tali celle si basano su una giunzione detta bulk heterojunction e sono composte da polimeri conduttori misti ad una struttura di CNTs in carbonio; offrono vantaggi potenziali se comparati alle classiche celle inorganiche quali bassi costi, peso leggero, e flessibilità. Recentemente i CNTs in carbonio sono stati proposti per incrementare l’efficienza delle cella, dovuto al rapido collezionamento di elettroni una volta assorbita la luce. Lo scopo di questo progetto è la creazione di un tappeto di CNTs su un substrato di ITO per fornire l’elettrodo trasparente alle celle solari. In questo momento, il metodo più promettente per la sintesi dei CNTs è la tecnica detta Chemical Vapor Deposition (CVD) che permette alta densità e un elevato grado di purezza dei tappeti di CNTs nei vari substrati. Questo metodo permette un elevato grado di controllo sulla morfologia e strutture dei CNTs grazie ad una attenta scelta della deposizione del catalizzatore e delle condizioni di crescita. Sebbene la CVD sia un metodo valido per la crescita dei CNTs, un grande problema influenza ancora le perfomance di tale tecnica. Questo problema è rappresentato dall’effetto di alcuni parametri che rimane ancora imprevedibile impedendo l’esatto controllo della posizione e della strutture del singolo nano tubo. Per controllare effettivamente la crescita dei CNTs è necessaria una conoscenza del meccanismo di crescita. Per ottenere la sintesi perfetta di CNTs sui differenti substrati di ITO, le nostre procedure sperimentali sono state ripetute cambiando i seguenti parametri: Ni vs Fe come catalizzatori; spessore del catalizzatore depositato ( dai 5 ai 20nm); gas utilizzati (Acetilene, Idrogeno); flusso di gas (15-150 sccm); temperatura per la crescita (dai 500 ai 600 °C); tempo di crescita (10-30 minuti). Dopo diverse prove siamo stati in grado di selezionare le migliori condizioni per la crescita di nanotubi con opportune altezze e desiderate densità sui substrati di ITO, come mostrato dalle immagini dello Scanning Electron Microscope (SEM). La misura della capacità ottica e la caratterizzazione elettrica della cella solare realizzata con il substrato di ITO-CNTs confermano che la presenza di CNTs può migliorare l’efficienza della cella solare organica.